История образования прокариот и эукариотов

Термин Prokaryotae (доядерные) объединяет микроорганизмы с примитивной организацией ядерных структур. Это название было предложено канадским ученым Мюрреем в 1968 г.

Во второй половине XX в. стало очевидным, что все живые организмы, имеющие клеточное строение, могут быть отнесены к одной из двух групп — прокариотам или эукариотам. Клетки прокариот устроены проще — они лишены окруженного оболочкой ядра. В течение некоторого времени считали, что термины «прокариоты» и «бактерии» — синонимы и что бактерии пред­ставляют собой самостоятельную и единую ветвь эволюции жи­вых организмов. Однако постепенно накапливались данные о том, что различия между некоторыми бактериями могут быть сущест­венными и свидетельствуют об отсутствии у них близкого эво­люционного родства. Особенно большое значение придается дан­ным о строении рибосомальных и транспортных рибонуклеиновых кислот (РНК). В настоящее время на основе результатов сравне­ния последовательностей оснований в молекулах рибосомальных РНК судят о родственных связях организмов. Такого рода дан­ные, а также другие особенности прокариот показали, что на самом деле прокариоты должны быть разделены по крайней мере на две группы, имеющие различное происхождение и пути эво­люции. Кроме того, эукариотические клетки не только более слож­но организованы, но и обладают элементами, которые они не могли получить от предков современных прокариот. Это, прежде всего, цитоплазматические рибосомы, отличные от рибосом про­кариот. Принципиальное сходство генетического кода, организации макромолекул и биохимического аппарата синтеза белка свидетельствует о единстве происхождения всех живых организ­мов. Предполагают, что существовал некий общий предок — «прогенот», но что он собой представлял — неизвестно. Этот прогенот мог дать начало трем самостоятельным ветвям эволюционного древа. С точки зрения иерархической систематики эти ветви пред­ложено рассматривать в качестве доменов, имеющих ранг выше традиционных царств. Эти домены (империи) — Eubacteria, Archaebacteria, Eukaryota (эубактерии, архебактерии и эукарио­ты). Общие и дифференцирующие признаки архебактерий, эубактерий и эукариот даны в таблице.

Главная особенность прокариотной клетки — отсутствие ядра, ограниченного от цитоплазмы двойной мембраной. Наследствен­ный материал сосредоточен в бактериальной хромосоме, обычно представленной в виде кольцевой молекулы двухцепочечной ДНК. У некоторых спирохет обнаружены хромосомы линейного типа, а у актиномицетов — «псевдокольцевые». Нитевидная молекула ДНК выполняет функцию ядра и располагается в центральной зоне клетки, называемой «нуклеоидом». В электронном микро­скопе на срезе бактериальной клетки эта зона выглядит более светлой, чем остальная цитоплазма.

Клетка прокариот обладает рядом принципиальных особен­ностей, касающихся как ее ультраструктурной, так и химической организации. Прежде всего, в клетке бактерий отсутствует мемб­ранная сеть — эндоплазматический ретикулум. В клетках прокари­от цитоплазматическая мембрана, лежащая под клеточной стенкой и отгораживающая снаружи протопласт, является единственной мембраной в клетке.

Цитоплазматическая мембрана, окружающая каждую клетку, определяет ее величину и обеспечивает сохранение существен­ных различий между клеточным содержимым и окружающей сре­дой. Но мембрана — это не просто механическая перегородка. Она служит также высокоизбирательным фильтром, который под­держивает разницу концентраций ионов по обе стороны мембра­ны и позволяет питательным веществам проникать внутрь клет­ки, а продуктам выделения выходить наружу. Цитоплазматическая мембрана представляет собой ансамбль липидных и белковых мо­лекул, удерживаемых с помощью нековалентных взаимодействий. В электронном микроскопе мембраны имеют вид листков тол­щиной около 7 нм с выраженной трехслойной структурой. Двой­ной слой липидных молекул определяет структурные особеннос­ти мембраны, белки же ответственны за большинство мембранных функций.

Основные признаки архебактерий, эубактерий и эукариот

Признаки	Архебактерии	Эубактерии	Эукариоты
Типичные организмы	метаногены, экстремальные термофилы, галофилы	основные группы бак­терий	протисты, гри­бы, растения, животные
Типичные размеры, мкм	0,5-4	0,5-4	более 5
Геном	кольцевая хромосома	кольцевая хромосома	ядро со многи­ми сложными хромосомами
Мембранные структуры: эндоплазматический ретикулум комплекс Гольджи лизосомы	нет нет нет	нет нет нет	есть есть есть
Митохондрии	нет	нет	есть
Хлоропласты	нет (иногда тилакоиды)	нет	нет (у грибов и животных), есть (у растений и водорослей)
Клеточные стенки	протеин, псевдомуреин	муреин, липополисахарид	различные
Рибосомы	70S*	70S	80S (в цитоплазме)+705 рибосомы органелл, как у бактерий
РНК-полимераза	сложная	простая	сложная
Жгутики	простые	простые, состоят из одной или нескольких фибрилл	сложной струк­туры (2х9)+2
Фиксация азота	есть	есть	нет
Анаэробное дыхание	есть	есть	нет
Хемосинтез	есть	есть	нет

S* — единица осаждения Сведберга, характеризующая размеры рибосомы

В цитоплазматической мембране прокариот существуют мно­жественные впячивания — инвагинации, которые выполняют разные функции. Они могут содержать ферменты и иметь вид пузырьков или являются мезосомами и участвуют в делении клет­ки. Цитоплазматическая мембрана прокариот является местом локализации ферментов энергетического метаболизма и, следовательно, выполняет функцию митохондрий, отсутствующих в клетках прокариот. Поэтому у бактерий с высоким уровнем ды­хательного метаболизма цитоплазматическая мембрана особенно развита, т.е. она имеет много впячиваний, что увеличивает ее поверхность. Цитоплазматическая мембрана участвует также в делении нуклеоида. Кольцевая ДНК закрепляется на мембране и после репликации (удвоения) расходится по двум новым клеткам благодаря росту мембраны. Из цитоплазматической мембраны формируются покровы эндоспор. Она представляет собой также главный барьер для проникновения веществ внутрь клетки. Ци­топлазматическая мембрана не пропускает крупные молекулы, она не способна к пиноцитозу и экзоцитозу.

Структуры, расположенные снаружи от цитоплазматической мембраны, — клеточная стенка, капсула, слизистый чехол, жгу­тики, фимбрии, пили, ворсинки — являются поверхностными структурами.

Клеточная стенка — важный и обязательный структурный эле­мент большинства прокариотных клеток (истинных бактерий, не считая архебактерий и микоплазм), располагающийся под кап­сулой или слизистым чехлом или в случае отсутствия последне­го — контактирующая с окружающей средой. Клеточная стенка служит механическим барьером между протопластом и внешней средой и придает клетке определенную присущую ей форму.

По строению и химическому составу клеточная стенка прока­риот резко отличается от таковой эукариотичных организмов. Клеточная стенка прокариот состоит из нескольких слоев, из них основной — каркасный — слой, ответственный за прочность, формируется из особого вещества— пептидогликана муреина, который синтезируется только прокариотной клеткой и не встре­чается у других организмов. В группе истинных прокариот раз­личают два главных типа строения клеточных стенок. Эти два типа соответствуют грамположительным и грамотрицательным бактериям. Названия этих групп происходят от способности или неспособности разных бактерий окрашиваться по Граму. Дат­ским врачом К. Грамом, занимавшимся окрашиванием тканей, в 1884 г. был предложен метод окраски, который позднее исполь­зован для бактерий. Если фиксированные клетки эубактерий обработать сначала раствором кристаллического фиолетового, а затем йодом, то образуется окрашенный комплекс. При последу­ющей обработке спиртом в зависимости от строения клеточной стенки судьба комплекса различна: у так называемых грамположительных видов этот комплекс удерживается клеткой и послед­ние остаются окрашенными, у грамотрицательных видов окра­шенный комплекс вымывается из клетки, и они обесцвечиваются. Выяснено, что окрашенный комплекс образуется на протоплас­те, но его удерживание клеткой или вымывание из нее при пос­ледующей обработке спиртом определяются особенностями строе­ния клеточной стенки. Метод окраски по Граму нашел широкое применение в микробиологической практике для дифференциа­ции бактерий.

Клеточные стенки грамположительных и грамотрицательных эубактерий резко различаются как по химическому составу, так и по ультраструктуре.

Основную массу клеточной стенки грамположительных бак­терий составляет специфический гетерополимер — пептидогликан муреин. Полисахаридный остов молекулы построен из чере­дующихся остатков N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных между собой с помощью гликозидных связей. Кроме пептидогликана в состав клеточных стенок грам­положительных эубактерий входят тейхоевые кислоты и полиса­хариды. Тейхоевые кислоты представляют собой полимеры, по­строенные на основе многоатомных спиртов (рибита и глицерина), соединенных между собой фосфодиэфирными связями.

У грамотрицательных эубактерий строение клеточной стенки намного сложнее, чем у грамположительных. В ее состав входит гораздо большее число макромолекул разного химического типа. Пептидогликан образует только внутренний слой клеточной стен­ки, неплотно прилегая к цитоплазматической мембране. Снару­жи от пептидогликана располагается дополнительный слой клеточной стенки — наружная мембрана, которая состоит из фосфоли­пидов (типичных для элементарных мембран), белков, липопротеина и липополисахарида.

Эмпирически найденные различия между двумя группами бак­терий в отношении окраски по Граму оказались коррелятивно связанными со многими другими важными признаками. Напри­мер, грамположительные бактерии размножаются бинарным де­лением за счет формирования поперечной перегородки в клетке, грамотрицательные — путем образования перетяжки. Первые чувст­вительны к пенициллину, вторые — нет. Грамотрицательные бак­терии не образуют эндоспор, а некоторые грамположительные их образуют.

Прокариоты, не имеющие клеточной стенки, называются ми­коплазмами. Это сапротрофы и внутриклеточные паразиты рас­тений, животных и человека.

Клеточная стенка прокариот выполняет разнообразные функ­ции: механически защищает клетку от воздействий окружающей среды, обеспечивает поддержание ее внешней формы, дает воз­можность клетке существовать в гипотонических растворах. В первую очередь это «заслуга» пептидогликана. С клеточной стен­кой связана проницаемость и транспорт веществ в клетку.

Под цитоплазматической мембраной у бактерий находится цитоплазма. Это коллоидная система, состоящая из воды, бел­ков, жиров, углеводов, минеральных соединений и других ве­ществ, соотношение которых варьирует в зависимости от вида бактерий и их возраста. Цитоплазма прокариотной клетки не подвержена циклическому движению, как у растений, или со­кратительным явлениям, как у амеб. Бактериальные клетки осу­ществляют движение за счет других механизмов: либо при помо­щи просто устроенных жгутиков, отличающихся от сложных жгутиков эукариот, они активно плавают в жидкой среде либо скользят, выделяя слизь и перемещаясь по поверхности плотно­го субстрата.

Подвижные клетки бактерий активно перемещаются в на­правлении, определяемом теми или иными факторами. Такие направленные перемещения бактерий называются «таксисами». Различают хемотаксис, фототаксис, магнитотаксис, термотаксис, вискозитаксис (реагирование на изменение вязкости раствора).

Покоящиеся клетки бактерий представлены у грамположительных бактерий эндоспорами, у грамотрицательных — цистами. Споры бактерий обладают уникальной устойчивостью к небла­гоприятным воздействиям. Особенно поразительна устойчивость бактериальных спор к нагреванию: некоторые споры переносят кипячение в течение 1 ч и более и при этом не теряют жизнеспо­собности. Очень стойки споры и к высушиванию. Устойчивость спор связана с наличием у них особого слоя в клеточной стен­ке — кортекса.

Клетки бактерий при спорообразовании иногда приобретают необычную для них форму веретена, лимона или барабанной палочки. Эндоспора, как правило, одна на клет­ку, но встречаются бактерии с числом спор более четырех. У некоторых анаэробных бактерий на спорах формируются ячеистые колпачки, составленные из газовых вакуолей, или разного рода выросты

Споры бактерий — это не единственные формы покоя у про­кариот. Грамотридательные бактерии, которые не способны к образованию эндоспор, в ряде случаев превращаются в цисты — особые клетки с толстыми наружными покровами (например,Azotobacter chroococcum)

Снаружи клеточные стенки прокариот часто бывают окруже­ны слизистым веществом. Такие образования в зависимости от структурных особенностей получили название капсул, слизистых слоев, чехлов, или влагалищ (у нитчатых бактерий). Все они яв­ляются результатом биосинтеза прокариотами органических полимеров и отложения их вокруг клеток.

Капсулы, слизистые образования и чехлы могут содержать ком­поненты, одинаковые с клеточной стенкой, однако их химический состав не идентичен. Как правило, химический состав капсул, образуемых бактериями, родо- и видоспецифичен. Основные хи­мические компоненты большинства капсул прокариот — полисахариды. Исключение составляют капсулы некоторых видов бацилл, построенные из полипептида, являющегося полимером глутаминовой кислоты. Чехлы — более сложные структуры, они имеют более сложный химический состав и содержат сахара, белки, липиды.

Капсулы имеют разную толщину и легко выявляются под
микроскопом при негативном контрастировании препарата черной тушью.

Капсулы и чехлы защищают клетку от повреждений, высыхания, создают дополнительный осмотический барьер, служат препятствием для проникновения фагов, они создают вокруг клеток особую среду, обеспечивающую определенный водный режим. Капсулы имеют специфические функции. У клубенько­вых бактерий, например, они определяют избирательное при­крепление к корневым волоскам растений разных видов. Иногда капсулы могут использоваться в качестве запасных питатель­ных веществ. С помощью слизи осуществляется связь между клетками в колонии, прикрепление клеток к различным по­верхностям

Полисахариды капсул взаимодействуют с катионами почвен­ных растворов, они могут разрушать почвенные минералы, участ­вовать в процессах агрегации и образовании водопрочной почвенной структуры. Возможно включение микробных внеклеточ­ных слизей в процесс образования гумусовых веществ.

Форма клетки прокарит очень разнообразна. Известны прока­риоты сферической формы, палочковидной, спирально закручен­ной, в виде запятой, в виде кольца — замкнутого или разомкнуто­го, с выростами — простскгми. Клетки могут иметь квадратную или звездчатую форму. Многоклеточные прокариоты имеют форму нитей или червеобразную форму

В природных экосистемах, в первую очередь в почве, прока­риоты, как и грибы, выполняют функции редуцентов: разлагая органические остатки, они возвращают все элементы в кругово­рот. Прокариоты, обладающие фотосинтетическими пигментами (например, цианобактерии), являются первичными продуцента­ми в экосистемах. Среди прокариот существуют хищники, обра­зующие из многих клеток ловчие приспособления, в которые попадают бактерии — жертвы, существуют и паразиты, внедряю­щиеся в клетки других бактерий.

Все прокариоты относятся к группе микроскопических орга­низмов, размер их клеток измеряют микронами (микрометрами) (1мкм = 10³ мм), а их детали— нанометрами (1 нм = 10 мм). Почти 40% бактерий в почвах имеют размеры, лежащие за пре­делами способности светооптического микроскопа, они видны только в электронном микроскопе. При таких малых размерах отношение поверхности к объему очень велико, следствием чего является высокая потенциальная интенсивность метаболизма

Все прокариоты делят на четыре группы по признаку строе­ния наружных покровов клетки: грамотрицательные (Gracilicutes) эубактерии, грамположительные (Firmicutes) эубактерии, микоплазмы (Mollicutes), лишенные клеточных стенок, и архебактерии, или археи (Archaebacteria). Три первые группы объединяются как эубактерии (Eubacteria), архебактерии пред­ставляют собой обособленную группу организмов (Archaebacteria), отличающихся от других строением молекул рибосомальных и транспортных РНК, РНК-полимеразами, липидами, строением клеточной стенки

Грамотрицательные бактерии имеют клеточные стенки, где помимо основного каркасного слоя из муреина имеется еще на­ружная мембрана и перекрывающий ее сверху слой белка и/или гликопротеида. Между цитоплазматической мембраной и слоем муреина имеется пери плазматическое пространство. Эта группа бактерий наиболее обширна и разнообразна по числу видов и физиологическим функциям. Группа прокариот объединяет фототрофные и хемотрофные бактерии. Среди них есть обычные сапротрофы, копиотрофы, олиготрофы, внутриклеточные пара­зиты других бактерий, патогенные для человека, животных и ра­стений формы со сложными потребностями в источниках пита­ ния. По морфологии это разнообразные бактерии от простых палочковидных псевдомонад до миксобактерий со сложным цик­лом развития.

Грам положительные бактерии имеют клеточные стенки, со­стоящие из толстого слоя муреина, который у некоторых бакте­рий перекрыт снаружи слоем белка. Внешняя мембрана отсутст­вует. По морфологии и физиологическим функциям эта группа бактерий менее разнообразна. Среди них мало патогенных форм, нет внутриклеточных паразитов, в отличие от грамотрицательных бактерий. Среди них не обнаружено и автотрофных фото или хемосинтетиков.

Микоплазмы — бактерии, не имеющие клеточной стенки, функцию которой выполняет цитоплазматическая мембрана.

Архебактерии объединяют прокариоты с разной структурой наружных покровов, в составе которых отсутствует характерный для истинных бактерий муреин. У одних представителей архебактерий в клеточной стенке есть псевдомуреин, у других кле­точная стенка состоит из слоя глобулярных белков, или глико­протеидов.

Разделение бактерий по группам на основании фенотипиче­ских признаков (морфологии, физиологии) удобно в практиче­ских целях для быстрой идентификации организмов. Организмы объединяются в искусственные группы, или «секции», не имею­щие таксономического статуса и часто обозначаемые по наибо­лее характерному роду или названию. По такому принципу по­строен Определитель бактерий Берджи.

Изучая многообразие организмов, населявших и населяющих Землю, систематики стремятся создать филогенетическую систе­му, которая отражала бы генеологическое родство и общность происхождения организмов, объединяемых в ту или иную груп­пу — таксон. Этой цели служит молекулярная систематика, ос­нованная на сходстве строения биополимеров — ДНК, РНК, бел­ков. За возможность выявить сходство генов ее часто называют геносистематикой. Одним из наиболее важных достижений геносистематики считается открытие новой группы микроорганиз­мов, выделенных в отдельное царство — архебактерий. Степень сходства бактериальных геномов определяют сравнением после­довательности нуклеотидов в молекуле 16S рРНК. Использова­ние этого метода в систематике бактерий послужили К. Везе основой для построения филогенетического древа бактерий.

Сравнивать филогенетическую и фенотипическую систематики очень трудно. В одни и те же филогенетические ветви попадают крайне разнообразные по физиологии организмы. При переходе от крупных ветвей грамположительных и грамотрицательных бак­терий к низшим иерархическим уровням таких несовпадений становится все больше.

В схеме филогенетического древа прокариот, построенного на основе сравнения последовательности нуклеотидов в молекуле 16S рРНК, большинство таксонов бактерий входит в фуппиров­ки цианобактерий, протеобактерий и фамположительных бакте­рий. Самостоятельное положение занимают ветви спирохет, зе­леных фототрофов и цитофаг.